Android ANR原理分析
作者：侠客Ren
ANR即Application Not Responding，顾名思义就是应用程序无响应。在Android中，一般情况下，四大组件均是工作在主线程中的，Android会随时监控应用程序的响应情况，如果因为一些耗时操作，那么系统就会显示ANR对话框提示用户对应的应用处于无响应状态
卡顿原理
主线程有耗时操作会导致卡顿，卡顿超过阀值，触发ANR。 应用进程启动时候，Zygote会反射调用ActivityThread的main方法，启动loop循环。 ActivityThread（api29）
public static void main(String[] args) {
Looper.prepareMainLooper();
...
Looper.loop();
throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
}
Looper的loop方法：
// 在线程中运行消息队列。一定要调用
public static void loop() {
for (;;) {
// 1、取消息
Message msg = queue.next(); // might block
...
// This must be in a local variable, in case a UI event sets the logger
// 2、消息处理前回调
final Printer logging = me.mLogging;
if (logging != null) {
logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " " +
msg.callback + ": " + msg.what);
}
...
// 3、消息开始处理
msg.target.dispatchMessage(msg);
...
// 4、消息处理完回调
if (logging != null) {
logging.println("<<<<< Finished to " + msg.target + " " + msg.callback);
}
}
}
loop中for循环存在，主线程可以长时间运行。在主线程执行任务，可以通过Handler post一个任务到消息队列去，loop循环拿到msg，交给msg的target(Handler)处理。
可能导致卡顿两个地方：
- 注释1 queue.next()
- 注释3 dispatchMessage耗时
MessageQueue.next 耗时代码(api29)
@UnsupportedAppUsage
Message next() {
for (;;) {
// 1、nextPollTimeoutMillis不为0则阻塞
nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);
// 2、先判断当前第一条消息是不是同步屏障消息，
if (msg != null && msg.target == null) {
// 3、遇到同步屏障消息，就跳过去取后面的异步消息来处理，同步消息相当于被设立了屏障
// Stalled by a barrier. Find the next asynchronous message in the queue.
do {
prevMsg = msg;
msg = msg.next;
} while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
}
// 4、正常消息处理，判断是否延时
if (msg != null) {
if (now < msg.when) {
// Next message is not ready. Set a timeout to wake up when it is ready.
nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
} else {
// Got a message.
mBlocked = false;
if (prevMsg != null) {
prevMsg.next = msg.next;
} else {
mMessages = msg.next;
}
msg.next = null;
if (DEBUG) Log.v(TAG, "Returning message: " + msg);
msg.markInUse();
return msg;
}
} else {
// 5、如果没有取到异步消息，下次循环到注视1，nativePollOnce为-1，会一直阻塞
// No more messages.
nextPollTimeoutMillis = -1;
}
}
}
- MessageQueue是链表数据结构，判断MessageQueue头部（第一个消息）是不是同步屏障消息(给同步消息加一层屏障，让同步消息不被处理，只会处理异步消息)；
- 如果遇到同步屏障消息，就会跳过MessageQueue中同步消息，只会处理里面的异步消息来处理。如果没有异步消息则到注释5，nextPollTimeoutMillis为-1，下次循环调用注释1的nativePollOnce就会阻塞；
- 如果looper能正常获取消息，不论异步/同步消息，处理流程一样，在注释4，判断是否延时，如果是，nextPollTimeoutMillis被赋值，下次调用注释1的nativePollOnce就会阻塞一段时间。如果不是delay消息，直接返回msg，给handler处理。
next方法不断从MessageQueue取消息，有消息就处理，没有消息就调用nativePollOnce阻塞，底层是Linux的epoll机制，Linux IO多路复用。
Linux IO多路复用方案有select、poll、epoll。其中epoll性能最优，支持并发量最大。
- select： 是操作系统提供的系统调用函数，可以把文件描述符的数组发给操作系统，操作系统去遍历，确定哪个描述符可以读写，告诉我们去处理。
- poll：和select主要区别，去掉了select只能监听1024个文件描述符的限制。
- epoll：针对select的三个可优化点进行改进。
1、内核中保持一份文件描述符集合，无需用户每次重新传入，只需要告诉内核修改部分。 2、内核不再通过轮询方式找到就绪的文件描述符，通过异步IO事件唤醒。 3、内核仅会将有IO的文件描述符返回给用户，用户无需遍历整个文件描述符集合。
同步屏障消息
Android App是无法直接调用同步消息屏障的，MessageQueue（api29）代码
@TestApi
public int postSyncBarrier() {
return postSyncBarrier(SystemClock.uptimeMillis());
}
private int postSyncBarrier(long when) {
...
}
系统高优先级的操作使用到同步屏障消息，例如：View绘制的时候ViewRootImpl的scheduleTraversals方法，插入同步屏障消息，绘制完成后移除同步屏障消息。ViewRootImpl api29
@UnsupportedAppUsage
void scheduleTraversals() {
if (!mTraversalScheduled) {
mTraversalScheduled = true;
mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();
mChoreographer.postCallback(
Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
if (!mUnbufferedInputDispatch) {
scheduleConsumeBatchedInput();
}
notifyRendererOfFramePending();
pokeDrawLockIfNeeded();
}
}
void unscheduleTraversals() {
if (mTraversalScheduled) {
mTraversalScheduled = false;
mHandler.getLooper().getQueue().removeSyncBarrier(mTraversalBarrier);
mChoreographer.removeCallbacks(
Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
}
}
为了保证View的绘制过程不被主线程其他任务影响，View在绘制之前会先往MessageQueue插入同步屏障消息，然后再注册Vsync信号监听，Choreographer$FrameDisplayEventReceiver监听接收vsync信号回调的。
private final class FrameDisplayEventReceiver extends DisplayEventReceiver
implements Runnable {
@Override
public void onVsync(long timestampNanos, long physicalDisplayId, int frame) {
Message msg = Message.obtain(mHandler, this);
// 1、发送异步消息
msg.setAsynchronous(true);
mHandler.sendMessageAtTime(msg, timestampNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS);
}
@Override
public void run() {
// 2、doFrame优先执行
doFrame(mTimestampNanos, mFrame);
}
}
收到Vsync信号回调，注释1往主线程MessageQueue post一个异步消息，保证注释2的doFrame优先执行。
doFrame才是View真正开始绘制的地方，会调用ViewRootIml的doTraversal、performTraversals，而performTraversals里面会调用View的onMeasure、onLayout、onDraw。
虽然app无法发送同步屏障消息，但是使用异步消息是允许的。
异步消息 SDK中限制了App不能post异步消息到MessageQueue中，Message类
@UnsupportedAppUsage
/*package*/ int flags;
谨慎使用异步消息，使用不当，可能出现主线程假死。
Handler#dispatchMessage
/**
* Handle system messages here.
*/
public void dispatchMessage(@NonNull Message msg) {
if (msg.callback != null) {
handleCallback(msg);
} else {
if (mCallback != null) {
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
return;
}
}
handleMessage(msg);
}
}
- Handler#post(Runnable r)
- 构造方法传CallBack
- Handler重写handlerMessage方法
应用卡顿，一般都是Handler处理消息太耗时导致的（方法本身、算法效率、cpu被抢占、内存不足、IPC超时等）
卡顿监控
卡顿监控方案一 Looper#loop
// 在线程中运行消息队列。一定要调用
public static void loop() {
for (;;) {
// 1、取消息
Message msg = queue.next(); // might block
...
// This must be in a local variable, in case a UI event sets the logger
// 2、消息处理前回调
final Printer logging = me.mLogging;
if (logging != null) {
logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " " +
msg.callback + ": " + msg.what);
}
...
// 3、消息开始处理
msg.target.dispatchMessage(msg);
...
// 4、消息处理完回调
if (logging != null) {
logging.println("<<<<< Finished to " + msg.target + " " + msg.callback);
}
}
}
注释2和4的logging.println是api提供接口，可监听Handler耗时，通过Looper.getMainLooper().setMessageLogging(printer)，拿到消息前后的时间。监听到卡顿后，dispatchMessage早已调用结束，堆栈不包含卡顿代码。
定时获取主线程堆栈，时间为key，堆栈信息为value，保存map中，发生卡顿，取出卡顿时间内的堆栈可行。适合线下使用。
- logging.println存在字符串拼接，频繁调用，创建大量对象，内存抖动。
- 后台频繁获取主线程堆栈，对性能影响，获取主线程堆栈，暂停主线程的运行。
卡顿监控方案二
对于线上卡顿监控，需要字节码插桩技术。
通过Gradle Plugin+ASM,编译期在每个方法开始和结束位置分别插入一行代码，统计耗时。例如微信Matrix使用的卡顿监控方案。注意问题：
- 避免方法数暴增：分配独立ID作为参数
- 过滤简单函数：添加黑明单降低非必要函数统计
微信Matrix做大量优化，包体积增加1%～2%，帧率下降2帧以内，灰度包使用。
ANR原理
- Service Timeout:前台服务20s内未执行完成，后台服务是10s
- BroadcastQueue Timeout：前台广播10s内执行完成，后台60s
- ContentProvider Timeout:publish超时10s
- InputDispatching Timeout:输入事件分发超过5s，包括按键和触摸事件。
ActivityManagerService api29
// How long we allow a receiver to run before giving up on it.
static final int BROADCAST_FG_TIMEOUT = 10*1000;
static final int BROADCAST_BG_TIMEOUT = 60*1000;
ANR触发流程
埋炸弹
后台sevice调用：Context.startService--> AMS.startService--> ActiveService.startService--> ActiveService.realStartServiceLocked
private final void realStartServiceLocked(ServiceRecord r,
ProcessRecord app, boolean execInFg) throws RemoteException {
// 1、发送delay消息(SERVICE_TIMEOUT_MSG)
bumpServiceExecutingLocked(r, execInFg, "create");
try {
// 2、通知AMS创建服务
app.thread.scheduleCreateService(r, r.serviceInfo,
mAm.compatibilityInfoForPackage(r.serviceInfo.applicationInfo),
app.getReportedProcState());
}
}
注释1内部调用scheduleServiceTimeoutLocked
void scheduleServiceTimeoutLocked(ProcessRecord proc) {
if (proc.executingServices.size() == 0 || proc.thread == null) {
return;
}
Message msg = mAm.mHandler.obtainMessage(
ActivityManagerService.SERVICE_TIMEOUT_MSG);
msg.obj = proc;
// 发送delay消息，前台服务是20s，后台服务是200s
mAm.mHandler.sendMessageDelayed(msg,
proc.execServicesFg ? SERVICE_TIMEOUT : SERVICE_BACKGROUND_TIMEOUT);
}
注释2通知AMS启动服务前，注释1发送handler延迟消息，20s内(前台服务)没有处理完，则ActiveServices#serviceTimeout被调用。
拆炸弹
启动一个Service，先要经过AMS管理，然后AMS通知应用执行Service的生命周期，ActivityThread的handlerCreateService方法被调用。
@UnsupportedAppUsage
private void handleCreateService(CreateServiceData data) {
try {
Application app = packageInfo.makeApplication(false, mInstrumentation);
service.attach(context, this, data.info.name, data.token, app,
ActivityManager.getService());
// 1、service onCreate调用
service.onCreate();
mServices.put(data.token, service);
try {
// 2、拆炸弹
ActivityManager.getService().serviceDoneExecuting(
data.token, SERVICE_DONE_EXECUTING_ANON, 0, 0);
} catch (RemoteException e) {
throw e.rethrowFromSystemServer();
}
}
}
注释1，Service的onCreate方法被调用 注释2，调用AMS的serviceDoneExecuting方法，最终会调用ActiveServices.serviceDoneExecutingLocked
private void serviceDoneExecutingLocked(ServiceRecord r, boolean inDestroying,
boolean finishing) {
//移除delay消息
mAm.mHandler.removeMessages(ActivityManagerService.SERVICE_TIMEOUT_MSG, r.app);
}
onCreate调用后，就会移除delay消息，炸弹拆除。
引爆炸弹，假设Service的onCreate执行超过10s，那么炸弹就会引爆，也就是ActiveServices#serviceTimeout方法会被调用。api29
void serviceTimeout(ProcessRecord proc) {
if (anrMessage != null) {
proc.appNotResponding(null, null, null, null, false, anrMessage);
}
}
所有ANR，最终带调用ProcessRecord的appNotResponding方法。api29
void appNotResponding(String activityShortComponentName, ApplicationInfo aInfo,
String parentShortComponentName, WindowProcessController parentProcess,
boolean aboveSystem, String annotation) {
// 1、写入event log
// Log the ANR to the event log.
EventLog.writeEvent(EventLogTags.AM_ANR, userId, pid, processName, info.flags,
annotation);
// 2、收集需要的log、anr、cpu等，放到StringBuilder中。
// Log the ANR to the main log.
StringBuilder info = new StringBuilder();
info.setLength(0);
info.append("ANR in ").append(processName);
if (activityShortComponentName != null) {
info.append(" (").append(activityShortComponentName).append(")");
}
info.append("\n");
info.append("PID: ").append(pid).append("\n");
if (annotation != null) {
info.append("Reason: ").append(annotation).append("\n");
}
if (parentShortComponentName != null
&& parentShortComponentName.equals(activityShortComponentName)) {
info.append("Parent: ").append(parentShortComponentName).append("\n");
}
ProcessCpuTracker processCpuTracker = new ProcessCpuTracker(true);
// 3、dump堆栈信息，包括java堆栈和native堆栈，保存到文件中
// For background ANRs, don't pass the ProcessCpuTracker to
// avoid spending 1/2 second collecting stats to rank lastPids.
File tracesFile = ActivityManagerService.dumpStackTraces(firstPids,
(isSilentAnr()) ? null : processCpuTracker, (isSilentAnr()) ? null : lastPids,
nativePids);
String cpuInfo = null;
// 4、输出ANR日志
Slog.e(TAG, info.toString());
if (tracesFile == null) {
// 5、没有抓到tracesFile，发一个SIGNAL_QUIT信号
// There is no trace file, so dump (only) the alleged culprit's threads to the log
Process.sendSignal(pid, Process.SIGNAL_QUIT);
}
// 6、输出到drapbox
mService.addErrorToDropBox("anr", this, processName, activityShortComponentName,
parentShortComponentName, parentPr, annotation, cpuInfo, tracesFile, null);
synchronized (mService) {
// 7、后台ANR，直接杀进程
if (isSilentAnr() && !isDebugging()) {
kill("bg anr", true);
return;
}
// 8、错误报告
// Set the app's notResponding state, and look up the errorReportReceiver
makeAppNotRespondingLocked(activityShortComponentName,
annotation != null ? "ANR " + annotation : "ANR", info.toString());
// 9、弹出ANR dialog，会调用handleShowAnrUi方法
Message msg = Message.obtain();
msg.what = ActivityManagerService.SHOW_NOT_RESPONDING_UI_MSG;
msg.obj = new AppNotRespondingDialog.Data(this, aInfo, aboveSystem);
mService.mUiHandler.sendMessage(msg);
}
}
- 写入event log
- 写入main log
- 生成tracesFile
- 输出ANR logcat（控制台可以看到）
- 如果没有获取tracesFile，会发SIGNAL_QUIT信号，触发收集线程堆栈信息流程，写入traceFile
- 输出到drapbox
- 后台ANR，直接杀进程
- 错误报告
- 弹出ANR dialog 调用AppErrors#handleShowAnrUi方法。
ANR触发流程，埋炸弹--》拆炸弹的过程 启动Service，onCreate方法调用之前会使用Handler延时10s的消息，Service的onCreate方法执行完，会把延迟消息移除掉。 假如Service的onCreate方法耗时超过10s，延时消息就会被正常处理，触发ANR，收集cpu、堆栈消息，弹ANR dialog
抓取系统的data/anr/trace.txt文件，但是高版本系统需要root权限才能读取这个目录。
ANRWatchDog github.com/SalomonBrys…
自动检测ANR开源库
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